《细胞生物学》-细胞5章 细胞质基质与内膜系统2-9

Chapter5Cytoplasmicmatrixand

Endomembranesystem第一节细胞质基质及其功能第二节细胞内膜系统及其功能二、高尔基体高尔基体（Golgibody）/高尔基器（Golgiapparatus）/高尔基复合体（Golgicomplex）：一种由相对排列整齐的弓形扁平膜囊体系和大小不一的形态多变的管泡网结构组成的极性细胞器高尔基体的主要功能：对ER转运来的脂分子及蛋白质进行加工、修饰、分类、包装以及分选。此外，高尔基体也是细胞内糖类合成的工厂。高尔基体是高度动态的结构，而且难以分离与纯化，目前积累的资料仍不足以彻底阐明高尔基体的结构与功能。

高尔基体的形态结构A动物分泌细胞高尔基体三维结构的分区B动物细胞冷冻蚀刻扫描电镜观察到的高尔基体C小鼠回肠Paneth细胞电镜超薄切片观察到的高尔基体（一）高尔基体的极性高尔基体的形态学极性：高尔基体是一种有极性的细胞器，这不仅表现在它在细胞中往往有比较恒定的位置与方向，而且物质从高尔基体的一侧输入，从另一侧输出，因此每层膜囊也各不相同。在很多细胞中，高尔基体靠近细胞核的一侧，扁囊弯曲成凸面（又称形成面或顺面）；面向细胞质膜的一侧常呈凹面（又称成熟面或反面）。注意：高尔基体的顺面并非总是在高尔基体的凸面，在细胞发育的某个阶段可能位于高尔基体的凹面。高尔基体的生化极性：常用4种细胞化学（染色）反应来表现高尔基体的生化极性：（1）嗜锇反应→顺面；（2）NADP酶的细胞化学反应→中间几层扁平囊；（3）TPP酶(焦磷酸硫胺素酶）的细胞化学反应→反面的1~2层膜囊；（4）CMP酶（胞嘧啶单核苷酸酶)和酸性磷酸酶的细胞化学反应→靠近反面膜囊状和反面管网结构。A还原的四氧化锇定位在顺面膜囊B甘露糖苷酶II定位在中间膜囊C二磷酸核苷酶定位在反式膜囊高尔基体至少由互相联系的5个部分组成：（1）高尔基体顺面膜囊或顺面高尔基体网状结构：顺面高尔基体网状结构（CGN）是位于高尔基体顺面最前面的顺面膜囊（薄似内质网），呈中间多孔而连续分支状的网状结构。一般认为，CGN接受来自内质网新合成的物质，并将其分类后大部分转入高尔基体中间膜囊，少部分蛋白质和脂质再返回内质网。CGN也可能负责蛋白质的O-连接糖基化，跨膜蛋白细胞质一侧结构域的酰基化，溶酶体酶上寡糖的磷酸化，日冕病毒的装配也发生于此处。（2）高尔基体中间膜囊：由扁平膜囊与管道组成，形成不同间隔，但功能上又是连续而完整的膜囊体系。多数糖基修饰与加工、糖脂的形成以及与高尔基体有关的多糖的合成都发生在中间膜囊。（3）高尔基体反面膜囊以及反面高尔基体网状结构：反面高尔基体网状结构（TGN）处于高尔基体反面最外层的管网状结构，此处pH可能比高尔基体其它部位低，主要功能是负责对蛋白质进行分选（枢纽区），蛋白质包装形成网格蛋白/衔接蛋白包被膜泡，并定向将蛋白质转运到细胞内或细胞外的最终位置。此外，某些“晚期”的蛋白质修饰也发生在TGN，如蛋白原的水解加工。TGN在蛋白质和脂质的转运过程中可能起“瓣膜”的作用，以保证这些物质的单向转运。CGN:初级分选站，负责对从ER转运来的蛋白质进行鉴别，决定哪些需要退回，哪些可进入下一站，返回内质网的蛋白质具有KDEL或HDEL信号RER（蛋白质和脂类）—

—CGN（蛋白质KDEL或HDEL）解释高尔基体高度动态结构和极性的组织与维持的2种模型：（1）膜泡运输模型：高尔基体的膜囊群主体是相对稳态的结构，膜囊自身的更新和各部膜囊的生化极性（特征性酶和驻留蛋白的变化）是通过不同类型转运膜泡在相邻膜囊间正向（顺面→反面）和反向（反面→顺面）有序转移实现的。（2）膜囊成熟模型：高尔基体的膜囊群主体是动态的结构，源自ER的泡管结构首先形成高尔基体CGN，随后膜囊自身从顺面到反面逐次成熟并迁移，一些不当转移的膜囊特征性酶或驻留蛋白通过反向COPⅠ转运膜泡再没收回来。细胞骨架在维持高尔基体动态的空间结构以及复杂的膜泡运输中起着重要的作用。解释高尔基体结构组织及膜囊间蛋白质转运的膜泡运输模型（A）和膜囊成熟模型（B）（二）、高尔基体的功能

高尔基体在蛋白质的加工、分选、包装与转运以及在细胞内的“膜流”中起重要作用。高尔基体是细胞内大分子转运的枢纽或“集散地”。1.高尔基体与细胞的分泌活动

糙面内质网是同时合成多种蛋白质（分泌蛋白、质膜蛋白、溶酶体酶以及内质网和高尔基体等的驻留蛋白等）的主要场所。

分泌蛋白的分泌过程：

RER上合成的蛋白质

进入ER腔

出芽成囊泡

进入CGN在中间膜囊中加工

在TGN形成囊泡

囊泡与质膜融合

排出胞外

蛋白质的分选及其转运的信息仅存在于编码该蛋白质的基因本身

高尔基体TGN区是蛋白质包装与分选的关键枢纽，这里至少涉及3条分选途径：（1）溶酶体酶的包装与分选途径：具有在高尔基体顺面膜囊上形成甘露糖-6-磷酸（M6P）标记的溶酶体酶与高尔基体反面膜囊和TGN膜上相应膜受体结合，以出芽方式形成网格蛋白/衔接蛋白包被膜泡，再转运至晚期胞内体，在此溶酶体酶（M6P残基）与膜受体解离，受体返回再利用，溶酶体酶则被运到溶酶体。（2）可调节型分泌途径：特化型分泌细胞中新合成的可溶性分泌蛋白先在细胞质周边的分泌泡中选择性聚集、储存并浓缩，只在受到适宜的信号刺激后，才与质膜融合将内容物分泌到细胞表面或细胞外。

（3）组成型分泌途径：细胞内合成的蛋白质通过分泌泡以连续的不需调节的方式向胞外进行分泌。发生在高尔基体TGN区的蛋白质分选途径2.蛋白质的糖基化及其修饰：

大多数蛋白质（可溶性分泌蛋白、质膜上大多数膜蛋白和溶酶体酶）或膜脂的糖基化修饰和与高尔基体有关的多糖的合成，主要发生在高尔基体。

蛋白质的糖基化的生物学功能有：（1）糖蛋白的糖链具有促进蛋白质折叠和增强蛋白质稳定性的作用；（2）糖蛋白的糖链作为高尔基体对蛋白质进行包装和分选的指导信号；（3）负责糖基化的酶类由管家基因编码；细胞表面和细胞外基质密集存在的寡糖链参与介导细胞间或细胞与细胞外基质间的识别、黏着与双向通讯，或参与分化和发育等多种过程；（4）多羟基糖链还可能影响蛋白质的水溶性和所带电荷的性质

蛋白质的糖基化修饰主要有N-连接糖基化和O-连接糖基化2种类型N-连接糖基化：所有的N-连接寡糖链都有一个共同的前体，在糙面内质网和在通过高尔基体各膜囊间隔的转移过程中，寡糖链经过一系列加工、切除和添加特定的单糖，最后形成成熟的糖蛋白。所有成熟的N-连接寡糖链都含有2个N-乙酰葡糖胺和3个甘露糖残基。N-连接寡糖链又可分为高甘露糖N-连接寡糖（只含有N-乙酰葡糖胺和甘露糖）和复杂的N-连接寡糖（除此之外，还含有半乳糖、岩藻糖和唾液酸等）。O-连接糖基化：在高尔基体中进行，由不同的糖基转移酶催化，每次添加一个单糖。内质网和高尔基体中所有与糖基化及寡糖加工有关的酶都是内在膜蛋白，它们固定在细胞的不同间隔中，其活性部位均位于内质网或高尔基体的腔面。另外，植物细胞中的糖基化远比动物细胞复杂得多。N-连接与O-连接的寡糖比较

特征N-连接的糖基化O-连接的糖基化合成部位糙面内质网和高尔基体高尔基体合成方式来自同一个寡糖前体一个个单糖加上去与之结合的氨基酸残基天冬酰胺丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸、羟脯氨酸最终长度至少5个糖残基一般1-4个糖残基，但ABO血型抗原较长第一个糖残基N-乙酰葡糖胺N-乙酰半乳糖胺等脊椎动物细胞糖蛋白N-连接寡糖在高尔基体各膜囊区间的加工过程1在高尔基顺面膜囊切除3个Man残基2,4,5在中间膜囊，再附加3个GlcNAc残基3移除两个Man残基6在反面膜囊，再加3个半乳糖残基7每个半乳糖残基连上一个N-乙酰神经氨酸残基，完成N-连接寡糖的加工3.蛋白酶的水解和其它加工过程：

不同的蛋白质在高尔基体中酶解加工的方式各不相同。（1）没有生物活性的蛋白原（proprotein）

高尔基体后

将蛋白原N端或两端的序列切除形成成熟的多肽。（2）含有多个相同氨基酸序列的蛋白质前体

高尔基体

水解

形成同种有活性的多肽。（3）含有不同信号序列的蛋白质前体

高尔基体

加工成不同的产物。

(4)同一种蛋白质前体

不同细胞以不同的方式加工

不同的多肽蛋白聚糖的硫酸化也是在高尔基体中进行的。加工方式多样性的可能原因：

确保小肽分子的有效合成；

弥补缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号；

有效地防止这些活性物质在合成它的细胞内起作用。三、溶酶体（一）、溶酶体的形态结构与类型（二）、溶酶体的功能（三）、溶酶体的发生（四）、溶酶体与疾病（一）、溶酶体的形态结构与类型

溶酶体（lysosome）：溶酶体是单层膜围绕的内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要作用是行使细胞内的消化作用。某些细胞的溶酶体还具有防御功能和其它重要的生理功能。植物细胞内也有与溶酶体功能类似的细胞器，如圆球体、糊粉粒和中央大液泡。

溶酶体是一种异质性的细胞器：指不同的溶酶体的形态大小，乃至其中所含水解酶的种类都可能有很大的不同。

溶酶体膜在成分上也与其它生物膜不同：

①嵌有质子泵（溶酶体酶的最适pH为5.0左右）；

②具有多种载体蛋白（水解产物外运）；

③膜蛋白高度糖基化（防止被降解）。

溶酶体酶：已发现60余种，多为可溶性酶，少数整合在膜上；具有某些特征性同源序列；与相关的非溶酶体酶是一类结构与功能上相似的酶家族，在进化上同源。初级溶酶体（primarylysosome）：初级溶酶体呈球形，内容物均一，不含有明显的颗粒物质，外面由一层脂蛋白膜围绕。次级溶酶体（secondarylysosome）：初级溶酶体与细胞内的自噬泡或异噬泡（吞噬泡或胞饮泡）融合形成的进行消化作用的复合体，分别称之为自噬溶酶体（autophagolysosome）和异噬溶酶体（heterophagic

lysosome）。

次级溶酶体的特点是外部形态不规则，内部结构复杂多样后溶酶体即残质体（residualbody）：次级溶酶体内经历消化后，小分子物质可通过膜上载体蛋白转运到细胞质基质中，供细胞代谢利用，未被消化的物质残留在溶酶体内形成残质体。残质体可通过类似胞吐的方式将内容物排出细胞。溶酶体的标志酶：酸性磷酸酶（acidphosphatase）类型小鼠膀胱上皮细胞中的溶酶体（二）、溶酶体的功能

溶酶体的基本功能是细胞内的消化作用，这对于维持细胞的正常代谢活动及防御微生物的侵染都有重要的意义。

溶酶体的消化作用一般可概括为3条途径：1.内吞作用(endocytosis):可溶性大分子通过质膜包被小窝内化和内吞泡摄入细胞与初级溶酶体结合形成异噬溶酶体被消化2.吞噬作用(phagocytosis)：破损细胞或病原体及不溶性颗粒物质通过异噬泡形成进入细胞与初级溶酶体结合被消化3.自噬作用(autophagy)：细胞内破损细胞器和批量细胞质形成自噬泡与初级溶酶体结合被消化溶酶体消化作用的3种途径

溶酶体的功能1.清除无用的生物大分子、衰老的细胞器及衰老损伤和死亡的细胞：溶酶体起着“清道夫”的作用。2.防御功能：防御功能是某些细胞（如巨噬细胞）特有的功能，它们可以识别并吞噬入侵的病毒或细菌，在溶酶体作用下将其杀死并进一步降解。3.其它重要的生理功能：（1）作为细胞内的消化“器官”为细胞提供营养，如降解内吞的血清脂蛋白，获得胆固醇等营养成分等；（2）在分泌腺细胞中，溶酶体常常摄入分泌颗粒，参与分泌过程的调节；（3）吞噬细胞溶酶体消化清除凋亡细胞；（4）参与受精过程中的顶体反应，因为精子的顶体相当于特化的溶酶体。

（三）、溶酶体的发生

溶酶体酶在糙面内质网合成和初加工，以出芽形式离开内质网形成膜泡到高尔基体，经高尔基体再加工，以出芽形式离开高尔基体形成膜泡到溶酶体。

溶酶体酶的构象或三级结构中隐含信号斑（signalpatch），涉及溶酶体酶加工的酶借此识别溶酶体酶；

在溶酶体酶的每条寡糖链上形成多个M6P残基；M6P受体通过膜泡穿梭于高尔基体和前溶酶体（脱包被的转运泡或晚期胞内体）之间；

在质膜是也存在M6P受体，可与分泌出去的溶酶体酶结合，经受体介导的内吞作用将酶送到前溶酶体中。

溶酶体膜蛋白如何同其它蛋白质区分开来而特异地分选到溶酶体膜上，机制仍不明。新合成的可溶性溶酶体酶从高尔基TGN和细胞表面转运到溶酶体（四）、溶酶体与疾病溶酶体酶缺失或溶酶体酶的代谢环节故障，影响细胞代谢，引起疾病。如泰-萨二氏（Tay-Sachs）等各种储积症溶酶体吞入了不能消化的成分，从而造成溶酶体膜破裂，释放出其中的水解酶，最终导致细胞死亡。如肺部细胞吞噬二氧化硅所引起的矽肺和石棉肺。某些病原体（麻疯杆菌、利什曼原虫或病毒）被细胞摄入，进入吞噬泡但并未被杀死而繁殖（抑制吞噬泡的酸化或利用胞内体中的酸性环境）神经鞘脂贮积病

疾病缺失酶类主要贮积底物后果GM1神经节苷脂贮积症GM1β－半乳糖苷酶神经节苷脂GM1智力迟钝，肝脏肥大，骨骼受累，2岁前死亡泰－萨二氏病己糖胺酶A神经节苷脂GM2智力迟钝，失明，3岁前死亡法布莱氏病α-半乳糖苷酶A三己糖神经酰胺皮疹，肾功能丧失，下肢疼痛山霍夫氏病己糖胺酶A和B神经节苷脂GM2和红细胞糖苷脂与泰－萨氏疾病症状相似，但发展更快高歇氏病葡糖脑苷酯酶葡糖脑苷脂肝脏和脾脏肿大，长骨腐蚀，只在婴儿期发生智力迟钝尼－皮二氏病鞘磷脂水解酶鞘磷脂肝脏和脾脏肿大，智力迟钝Farber’s脂肪肉芽肿病神经酰胺水解酶神经酰胺疼痛性与退行性的关节变形，皮肤瘤，几年内死亡Krabbe’s病半乳糖脑苷脂酶半乳糖脑苷脂髓磷脂缺失，智力迟钝，2岁前死亡脑硫脂沉积芳基硫酸酯酶脑硫脂智力迟钝，前十年死亡四、过氧化物酶体

过氧化物酶体（peroxisome）：真核细胞中由单层膜围绕的含有一种或几种氧化酶类的细胞器，能够利用分子氧氧化有机物。过氧化物酶体是一种微体（microbody）。（一）、过氧化物酶体与溶酶体的区别（二）、过氧化物酶体的功能（三）、过氧化物酶体的发生鼠肝细胞超微切片所示的过氧化物酶体和其他细胞器（如线粒体）（一）、过氧化物酶体与溶酶体的区别与溶酶体一样也是一种异质性的细胞器，但在酶的种类、功能和发生等方面都与溶酶体有很大区别（二）、过氧化物酶体的功能过氧化物酶体是一种异质性细胞器，不同生物的细胞中，甚至单细胞生物的不同个体中所含酶的种类及其行使的功能都有所不同。过氧化物酶体是真核细胞直接利用分子氧的细胞器，其中常含有2种酶：一是依赖于FAD的氧化酶，其作用是将底物氧化形成H2O2；二是H2O2酶，其作用是将H2O2分解，形成水和氧气。二酶偶联，消除H2O2的毒害。过氧化物酶体可降解生物大分子；分解脂肪酸等高能分子向细胞直接提供热能。在植物细胞中过氧化物酶体参与光呼吸作用；在油料种子萌发时，特殊过氧化物酶体即乙醛酸循环体将脂肪转化成糖。乙醛酸循环体（glyoxysome

）：植物细胞中的一种细胞器，是将储存的脂肪酸转变成糖类的酶促反应的部位。

（三）、过氧化物酶体的发生过氧化物酶体的发生有2种途径：

一是细胞内已有的成熟过氧化物酶体经分裂增殖而产生子代过氧化物酶体；

二是在细胞内重新发生。过氧化物酶体重新发生包括3个阶段的装配过程：①过氧化物酶体的装配起始于内质网，即由内质网出芽衍生出前体膜泡，然后过氧化物酶体的膜蛋白掺入，形成过氧化物酶体雏形；

②具有过氧化物酶体靶向信号PTS1（Ser-Lys-Leu）和PTS2（Arg/Lys-Leu/Ile-5X-His/Gln-Leu）分选信号的基质蛋白，在膜蛋白的介导下完成基质蛋白的输入，产生成熟的过氧化物酶体；

③成熟的过氧化物酶体经分裂产生子代过氧化物酶体。构成过氧化物酶体的膜脂可能在内质网上合成后，通过磷脂交换蛋白（PEP）或膜泡运输方式完成其转运。过氧化物酶体的三维发生与分裂过程的模型1下列陈述哪个是正确的?()细胞质基质包括中间代谢有关的酶类、维持细胞形态和参与细胞内物质运输的细胞质骨架A细胞质基质中帮助变性或错误折叠的蛋白质重新折叠成正确分子构象的物质是拓扑异构酶B细胞质基质中的蛋白质都以溶解状态存在C蛋白酶体在降解蛋白质的过程中将连接的泛素也一起降解D提交单选题10分2下列哪项与细胞质基质的功能无关()合成分泌蛋白A维持细胞形态B降解畸形蛋白C提供脂肪酸合成的场所D提交单选题10分3参与蛋白质合成与运输的细胞器是()细胞核、微管、内质网A线粒体、内质网、溶酶体B细胞核、内质网、溶酶体C核糖体、内质网、高尔基复合体D提交单选题10分4细胞中能够进行蛋白质合成的区域不包括()内质网A线粒体和叶绿体B细胞质基质C高尔基体D提交单选题10分5蛋白聚糖是细胞外基质的一个重要成分,其组装是在()中进行的高尔基体A胞内体B核糖体C内质网D提交单选题10分6细胞质中合成脂类的重要场所是()光面内质网A胞质溶胶B高尔基体C糙面内质网D提交单选题10分7N-连接的糖基化反应发生在()细胞质基质A高尔基体B光面内质网C糙面内质网D提交单选题10分8细胞内膜系统包括内质网、高尔基体、溶酶体、过氧化物酶体、线粒体等膜包被的细胞器()正确A错误B提交单选题10分9M6P受体蛋白是高尔基体TGN上特有的受体蛋白,主要起到分拣溶酶体的酶的作用()正确A错误B提交单选题10分10微体和微粒体都是细胞质具有膜相对结构的细胞器()正确A错误B提交单选题10分作业1.cellfreesystem；molecularchaperon；microsome；ERS2.能特异显示液泡系分布的显示剂是（）3.溶酶体的识别标志酶是（），微体识别标志酶是（）4.O-连接的糖基化主要发生